JP2009159392A

JP2009159392A - 近距離通信用ｉｃチップを搭載した携帯情報端末

Info

Publication number: JP2009159392A
Application number: JP2007336320A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 隆宏松本; Toshiaki Yamada; 敏明山田; Hirotaka Tsuruya; 浩隆鶴谷
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】比重の大きい磁性シートを用いずに近距離通信の効率を高くすることができる携帯情報端末を提供する。
【解決手段】高誘電体からなる層の少なくとも一方の表面にコイルを形成した電磁誘導方式の近距離通信用アンテナ（Ａ）と近距離通信用ＩＣチップを搭載した携帯情報端末。
【選択図】図１

Description

本発明は、近距離通信用ＩＣチップを搭載した携帯情報端末に関するものである。

近年の携帯電話機に代表される携帯情報端末は多機能化が進み、近距離通信用ＩＣチップを搭載した携帯情報端末が普及してきている。そして、例えば近距離通信用ＩＣチップ搭載携帯情報端末のユーザは、現金やクレジットカードを持っていなくても携帯電話機を所持しているだけで、近距離通信用ＩＣチップにデータとして、電子マネーをチャージしたりするなどして買い物などの支払いをすることができる。

近距離通信ＩＣチップは携帯情報端末内部にあるアンテナに接続され、ＩＣチップのデータを読み書きするリーダ／ライタが発信する電波や磁界を利用して、データを送受信するＩＣチップである。つまり、近距離通信用ＩＣチップは、チップ自体が動作するための電力を外部の電波や磁界などから生成する構成となっている。

実際には、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波磁場を用いる電磁誘導方式ものが主流となっている。この無線データ通信を効率よく行うためには、アンテナ周辺に金属が存在しないことが重要である。しかしながら、現実の携帯情報端末は回路基板や電池などが狭いスペースに配置されるため、アンテナ周辺、例えば電池の裏ふたなどに磁性体シートが貼られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−２７４５５１号公報

しかしながら、電池の裏ふたなどに磁性シートを貼り付けても実際には効果が限定され、十分に通信効率が上がらないのが現状である。また一般に磁性シートは比重が３以上と大きく、情報携帯端末の軽量化と矛盾するという課題もある。
本発明はこのような状況に鑑み、比重の大きい磁性シートを用いずに近距離通信の効率を高くすることを目的としている。

本発明者らは鋭意検討の末、高誘電体層の少なくとも一方の面にコイルを形成するアンテナを用いることで、磁性シートを用いずに電磁誘導方式の携帯情報端末の近距離通信用ＩＣチップの通信効率を改善する方法を見出した。すなわち、本発明は、
１．高誘電体からなる層の少なくとも一方の表面にコイルを形成した電磁誘導方式の近距離通信用アンテナ（Ａ）と近距離通信用ＩＣチップを搭載した携帯情報端末。
２．前記アンテナ（Ａ）と前記近距離通信用ＩＣチップとが電気的に接続されていない第１項記載の携帯情報端末。
３．さらに、近距離通信用ＩＣチップに電気的に接続されている別のコイル状アンテナ（Ｂ）と前記アンテナ（Ａ）が磁気的に結合しており、かつ少なくとも一方のアンテナの共振周波数が、該近距離通信用搬送波の周波数に対して０〜３５％の範囲で高い第２項記載の携帯情報端末。
４．前記高誘電体がつぎの（１）及び（２）を含む樹脂複合材料である第１項記載の携帯情報端末。
（１）樹脂、
（２）粒子直径１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の球状、断面直径１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の繊維状、又は厚さ１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の板状の炭素材料からなる導電性超微粉末表面に、絶縁性金属酸化物又はその水和物からなる皮膜が施されていて、その皮膜の厚さが、０．３ｎｍ以上で、かつ導電性超微粉末が球状の場合にはその粒子直径以下、繊維状の場合にはその断面直径以下、板状の場合にはその厚さ以下であることを特徴とする絶縁化超微粉末。
５．前記（１）の樹脂と前記（２）の絶縁化超微粉末との配合比が、体積比（樹脂／超微粉末）で９５／５〜５０／５０の範囲である第４項記載の携帯情報端末。
６．前記高誘電体の比誘電率が２０以上である第１項記載の携帯情報端末。
７．前記高誘電体の比重が２．０未満である第１項記載の携帯情報端末。
８．前記高誘電体からなる層の厚さが１μｍ以上３ｍｍである第１項記載の携帯情報端末。

本発明を用いることにより、比重の大きな磁性シートを用いることなく、近距離通信の効率を高めることができる。軽さが重視される携帯情報端末では、この点は重要である。

本発明の携帯情報端末としては、携帯電話、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などが挙げられる。本発明で用いる高誘電体層の少なくとも一方の表面にコイルを形成したアンテナ（以下、アンテナ（Ａ）ということがある。）は、近距離通信ＩＣと電気的に接続してもよいし、接続されていなくてもよい。ただし、本発明で用いる高誘電体層の少なくとも一方の表面にコイルを形成したアンテナ（Ａ）が近距離通信ＩＣと電気的に接続されていない場合には、近距離通信ＩＣに電気的に接続されている別のコイル状のアンテナ（以下、アンテナ（Ｂ）ということがある。）と磁気的に結合されている必要がある。磁気的に結合しているとは、ＩＣと導通接続されていないコイル状のアンテナに発生する磁場が、ＩＣと導通接続された別のコイル状のアンテナを貫く状態を形成していることを意味する。

この場合には２つのコイル状のアンテナを用いるわけであるが、その際には少なくとも一方のコイル状アンテナの共振周波数を、通信に使う高周波磁場の周波数に対して０〜＋３５％、望ましくは＋５％〜＋３０％、より望ましくは＋１０％〜＋２０％ずらしておくことが望ましい。周波数のずれは、この範囲より低くても、高くても、通信の効率が逆に低下してしまう。

本発明において、コイルを形成する高誘電体層には、樹脂と導電性炭素材料超微粉末に金属酸化物皮膜（以下、絶縁皮膜ということがある。）を形成した絶縁化超微粉末との複合材料が、成型加工性および軽量化の観点から望ましい。

本発明で用いる導電性超微粉末としては、粒子直径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、望ましくは５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より望ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の球状の炭素材料が挙げられる。このような球状の炭素材料、例えばカーボンブラックは、炭化水素原料を気相で熱分解することによって得られる。また黒鉛化カーボンブラックは、Ｈｅ、ＣＯ、またはこれら混合ガスの雰囲気系により内圧２〜１９Ｔｏｒｒに保持された減圧容器内において、炭素材料をアーク放電によって気化させ、気化した炭素蒸気を冷却凝固することによって得られる。具体的には、東海カーボン（株）製のシーストSや導電性カーボンブラック＃５５００、＃４５００、＃４４００、＃４３００や黒鉛化カーボンブラック＃３８５５、＃３８４５、＃３８００、あるいは、三菱化学（株）製の＃３０５０B、＃３０３０B、＃３２３０B、＃３３５０B、ＭＡ７、ＭＡ８、ＭＡ１１、あるいは、ライオン（株）製のケッチェンブラックＥＣ、ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤなどが例示できる。なお、ここで球状とは必ずしも厳密な球状である必要はなく、等方的な形状であればよい。例えば角が発生した多面体状であってもよい。

また、本発明で用いる導電性超微粉末としては、断面直径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、望ましくは５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より望ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の繊維状の炭素材料が挙げられる。その長さは断面直径の３倍以上３００倍以下であることが好ましい。このような繊維状の炭素材料、例えばカーボンナノファイバーや、カーボンナノチューブは触媒となるコバルトや鉄の有機金属化合物と炭化水素原料を気相で混合し、加熱することによって得られる。また、カーボンナノファイバーはフェノール系樹脂を溶融紡糸し、非活性雰囲気下で加熱することによって得られるものもある。具体的には、昭和電工（株）製のＶＧＣＦおよびＶＧＮＦや、（株）ＧＳＩクレオス製のカルベール、群栄化学工業（株）製のカーボンナノファイバーなどが例示できる。なお、ここで繊維状とは一方向に伸びた形状を意味し、例えば角材状、丸棒状や長球状であってもよい。

さらに、本発明で用いる導電性超微粉末としては、厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、望ましくは５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より望ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の板状の炭素材料が挙げられる。その長さおよび幅は、厚さの３倍以上３００倍以下であることが好ましい。このような板状の炭素材料は、例えば天然黒鉛や人造黒鉛を精製・粉砕・分級することによって得られる。例えば、（株）エスイーシー製のＳＮＥシリーズ、ＳＮＯシリーズ等や日本黒鉛製、鱗状黒鉛粉末、薄片化黒鉛粉末等が挙げられる。また、これらをさらに粉砕し、精密分級してもよい。なお、ここで板状とは、一方向が縮んだ形状を意味し、例えば扁平球状や鱗片状であってもよい。

該粒子直径、断面直径または厚さが上記範囲より小さいと量子サイズ効果により導電性が低下する。また、製造が難しく工業的に用いることができないばかりでなく、凝集などにより取り扱いも難しい。一方、該粒子直径、断面直径または厚さが上記範囲より大きいと、連続層の形成が５０ｖｏｌ％以下、すなわち樹脂特性を悪化させない添加率の範囲では連続層が形成されなくなってしまう。また、導電性超微粉末の形状が繊維状もしくは板状の場合、アスペクト比は３〜３００が望ましい。本発明で用いる導電性超微粉末は、この中でも繊維状の方が球状や板状よりも望ましい。これは繊維状のほうが、比誘電率が２０以上である樹脂複合材料として連続層を形成するために必要な添加量が例えば３０ｖｏｌ％以下と少なくてすむためである。

次に、本発明に用いる絶縁皮膜は、樹脂複合材料の全体的な絶縁性の確保を目的の一つとしている。また、導電性超微粉末の表面上に被覆することで、絶縁化超微粉末自体の誘電率は、絶縁皮膜構成材質の誘電率を倍加したものになる。このため、絶縁皮膜の厚さは、被覆する導電性超微粉末が球状の場合にはその粒子直径以下、繊維状の場合にはその断面直径以下、板状の場合にはその厚さ以下である。更に望ましくは、絶縁皮膜の厚さは０．３ｎｍ以上で、かつ被覆する導電性超微粉末の粒子直径、断面直径、または厚さとの比率が、０．０１以上０．９以下である。最も望ましくは、絶縁皮膜の厚さは０．３ｎｍ以上で、かつ被覆する導電性超微粉末の粒子直径、断面直径、または厚さとの比率が、０．０１以上０．５以下である。上記範囲よりも薄いと絶縁効果が低減し、導通を防げず誘電体として機能しない場合がある。一方、これより厚い場合には、芯である導電性超微粉末の誘電率倍加効果が低減し、樹脂複合材料の比誘電率が低下する場合がある。

本発明における絶縁皮膜の材質は、絶縁性金属酸化物またはその水和物である。例としては二酸化シリコン、三酸化二アルミニウム、二酸化ジルコニウムなどの絶縁性酸化物が挙げられる。またはこれらの水和物として、四水酸化シリコン、三水酸化アルミニウム、四水酸化ジルコニウムが挙げられる。水和物の場合、その一部が脱水縮合した構造のものも含まれる。望ましくは比誘電率２０以上の五酸化二タンタル等の絶縁性金属酸化物、アナタース型、およびブルカイト型の二酸化チタン、チタン酸ジルコニウムが挙げられる。また、これらの固溶体も用いることができる。

これらのうち、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、五酸化二タンタル、二酸化ジルコニウムと二酸化シリコンとの固溶体、二酸化シリコン、三酸化二アルミニウム、又はこれらの水和物が好ましい。さらに望ましくは比誘電率１００以上の金属酸化物が挙げられる。この例としては、ルチル型の二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（ＢａＴｉ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_３）などの組成式ＭＴｉ_１−ｘＺｒ_ｘＯ_３（Ｍは２価の金属元素、ｘは０以上１未満）で表される絶縁性金属酸化物、またはこれらの水和物、さらにはこれらのうち少なくとも一種類を組成に含む絶縁性固溶体が挙げられる。これらの誘電率が大きい材料を用いると、厚く絶縁被膜しても複合材料の誘電率が低下しないため好ましい。

これらの金属酸化物もしくは水和物で被膜した絶縁化超微粉末は必要に応じて、シランカップリング剤などで疎水化処理を施してもよい。

本発明で用いる樹脂成分としては、ＰＶＣ樹脂、フェノキシ樹脂、フッ化炭素系樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂、あるいはこれらの混合系樹脂を挙げることができる。特に望ましくは、耐薬性や軽量性に優れたポリプロピレン樹脂である。

また、本発明で用いる樹脂成分は、重合体の形態としてのみならず重合性化合物の形態として、すなわち、フェノキシ樹脂、エポキシ樹脂、シアネートエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂のモノマーやオリゴマーなどの重合性化合物として配合しておいて、後で重合させてもよい。特に望ましくはエポキシ樹脂を含む樹脂組成物である。これは配線基板などに用いる場合、銅等の金属層と密着強度が大きいためである。

本発明で用いる導電性炭素材料超微粉末に金属酸化物皮膜を形成した絶縁化超微粉末は、粒子直径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の球状、断面直径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の繊維状、または厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の板状の導電性炭素材料が金属酸化物またはその水和物により皮膜を形成した超微粉末である。本発明の絶縁化超微粉末は、樹脂に５０ｖｏｌ％以下の量を配合することにより比誘電率が２０以上である高誘電率樹脂複合材料が得られる。

比誘電率２０以上の高誘電率樹脂複合材料を実現するには、従来の高誘電率フィラーを使用した場合は該フィラーを５０ｖｏｌ％程度以上配合する必要があるが、本発明の絶縁化超微粉末を使用した場合は該絶縁化超微粉末を５０ｖｏｌ％以下、例えば、５〜５０ｖｏｌ％配合すればよい。したがって、本発明の絶縁化超微粉末を配合した樹脂複合材料は、樹脂材料本来の特長である成型加工性や軽量性が損なわれることなく、高い誘電率を発現する。この高誘電率樹脂複合材料からなる層の少なくとも一方の表面に、コイルを形成することで携帯情報端末に用いられる近距離通信ＩＣが使用する１３．５６ＭＨｚ付近に容易に共振することが可能となる。

軽量性が重視される携帯情報端末では、軽い部材を用いることが重要となる。したがって、望ましい高誘電体の比重としては２．０未満であることが望ましい。

また、高誘電体からなる層の厚さとしては1μｍ以上３ｍｍ以下である。望ましくは１０μｍ以上１ｍｍ以下、もっとも望ましくは３０μｍ以上、３００ｍｍ以下である。この範囲より薄いと共振周波数を安定化させることが難しくなる。またこの範囲より厚いと携帯情報端末そのものの厚みに影響する。

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、この例によってなんら限定されるものではない。
なお、比誘電率の測定については、樹脂複合材料を３０ｍｍφ、厚さ３ｍｍのディスクに成形し、インピーダンスアナライザー（アジレント社製、４２９４Ａ）を用いて室温で１ＭＨｚにて測定した。また、比重の測定については、該ディスクの重量を測定し、さらに水をはったメスシリンダーに入れ体積を測定することにより求めた。

実施例１
イソプロパノール４０Ｌ中にカーボンブラック（球状体粒子直径１０〜７０ｎｍ、平均粒径４０ｎｍ、）２ｋｇとテトラプロピルオキシチタネート２．１ｋｇ（三菱ガス化学(株)製ＴＰＴ）を添加し、室温にて１時間攪拌混合した。この分散溶液に蒸留水２ｋｇを２時間かけて滴下し、さらに２時間撹拌した。１７ｋＰａの真空度で含水イソプロパノールを蒸留しつつ、４５ＬのＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドを滴下し溶媒置換した。さらにフェニルトリメトキシランを０．３１ｋｇ添加して、１００℃にて４時間加熱し疎水化した後、ろ過し１２時間自然乾燥し、窒素雰囲気下３５０℃で３０分間焼成した。この結果、２．８ｋｇの表面処理を施した二酸化チタン水和物で被膜した絶縁化超微粉末を得た。
この絶縁化超微粉末４０ｇとポリプロピレン６０ｇを溶融混練した。比重は１．０、比誘電率は３７であった。この樹脂複合材料を熱プレスにより１００μｍ厚のフィルム状に成型し、表面に図１に示すコイル状の配線パターンを形成した。コイル状配線に切り込みを入れ、形成したアンテナの共振周波数を１４．２５ＭＨｚに調整した（近距離通信用搬送波の周波数に対して、＋５％）。市販の近距離通信ＩＣチップを内蔵した携帯電話の電池部に貼り付け、市販のリーダ／ライタとの通信距離は３０ｍｍであった。

実施例２
共振周波数を１５．００ＭＨｚ（近距離通信用搬送波の周波数に対して、＋１１％）としたほかは、実施例１と同様にした。市販リーダ／ライタとの通信距離は４０ｍｍであった。

実施例３
共振周波数を１７．６０ＭＨｚ（近距離通信用搬送波の周波数に対して、＋３０％）としたほかは、実施例１と同様にした。市販リーダ／ライタとの通信距離は３５ｍｍであった。

比較例１
二酸化チタン水和物で被膜した絶縁化超微粉末を用いず、樹脂のみで成形したフィルムを用いた以外は実施例１と同様にした。この結果、市販リーダ／ライタとの通信距離は１８ｍｍであった。

比較例２
携帯情報端末単独と市販リーダ／ライタとの通信距離は１９ｍｍであった。

フィルム表面に形成した配線パターン。

符号の説明

１コイル表面に形成した配線。尚、配線幅および配線間の間隔はいずれも１ｍｍである。

Claims

高誘電体からなる層の少なくとも一方の表面にコイルを形成した電磁誘導方式の近距離通信用アンテナ（Ａ）と近距離通信用ＩＣチップを搭載した携帯情報端末。
前記アンテナ（Ａ）と前記近距離通信用ＩＣチップとが電気的に接続されていない請求項１記載の携帯情報端末。
さらに、近距離通信用ＩＣチップに電気的に接続されている別のコイル状アンテナ（Ｂ）と前記アンテナ（Ａ）が磁気的に結合しており、かつ少なくとも一方のアンテナの共振周波数が、該近距離通信用搬送波の周波数に対して０〜３５％の範囲で高い請求項２記載の携帯情報端末。
前記高誘電体がつぎの（１）及び（２）を含む樹脂複合材料である請求項１記載の携帯情報端末。
（１）樹脂、
（２）粒子直径１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の球状、断面直径１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の繊維状、又は厚さ１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の板状の炭素材料からなる導電性超微粉末表面に、絶縁性金属酸化物又はその水和物からなる皮膜が施されていて、その皮膜の厚さが、０．３ｎｍ以上で、かつ導電性超微粉末が球状の場合にはその粒子直径以下、繊維状の場合にはその断面直径以下、板状の場合にはその厚さ以下であることを特徴とする絶縁化超微粉末。
前記（１）の樹脂と前記（２）の絶縁化超微粉末との配合比が、体積比（樹脂／超微粉末）で９５／５〜５０／５０の範囲である請求項４記載の携帯情報端末。
前記高誘電体の比誘電率が２０以上である請求項１記載の携帯情報端末。
前記高誘電体の比重が２．０未満である請求項１記載の携帯情報端末。
前記高誘電体からなる層の厚さが１μｍ以上３ｍｍである請求項１記載の携帯情報端末。